重金屬汞鎘污染對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響

鄒繼穎，劉 輝，祝 惠，吳文龍，榮洪剛

(1. 吉林化工學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院，吉林吉林 132022;2. 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長(zhǎng)春 130102;3. 吉林省水利水電工程局，吉林長(zhǎng)春130000)

重金屬對(duì)人類有潛在性的危害作用，它在生物體內(nèi)可以富集，并把它轉(zhuǎn)化為毒性更大的金屬化合物，從而對(duì)人類造成更大的危害［1－2］。由于某些企業(yè)將含有重金屬的工業(yè)污水排放到河道系統(tǒng)中以及農(nóng)民長(zhǎng)期使用含鎘元素的化肥、農(nóng)藥從而造成土壤的污染，其中一些鎘可以通過食物鏈進(jìn)入人體，危害人類健康［3－4］。我國(guó)稻米中的重金屬殘留問題較為突出，比農(nóng)藥殘留對(duì)稻米的安全化生產(chǎn)帶來的危害更為嚴(yán)重［5］。因此，研究重金屬污染不僅對(duì)水稻生產(chǎn)具有指導(dǎo)作用，并且對(duì)環(huán)境治理，為無公害稻米的生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新提供科學(xué)依據(jù)和工程化基礎(chǔ)，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值［2，6］。另外，種子萌發(fā)時(shí)如受重金屬影響，會(huì)使其萌發(fā)階段的生長(zhǎng)狀況直接影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量，因此研究種子在萌發(fā)階段受重金屬等污染的影響尤為重要［7－9］。并且近年來，一些國(guó)際機(jī)構(gòu)組織已先后將高等植物生長(zhǎng)狀況檢測(cè)方法作為評(píng)價(jià)化學(xué)品生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的一項(xiàng)指標(biāo)以檢測(cè)目標(biāo)化學(xué)品的生態(tài)毒性［10－12］，并對(duì)非目標(biāo)污染物的潛在毒性進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前已建立的高植物毒理實(shí)驗(yàn)方法有3 種:根伸長(zhǎng)試驗(yàn)、種子發(fā)芽試驗(yàn)和早期植物幼苗生長(zhǎng)試驗(yàn)［13］。很明顯，不同的高植物，不同的污染介質(zhì)，不同的毒理實(shí)驗(yàn)方法可能適用范圍不同。采用水培法［14－15］種植水稻，探索在水稻種子早期萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)階段，不同濃度重金屬對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響及其生態(tài)毒性，從而為確立水稻重金屬污染毒理實(shí)驗(yàn)方法和重金屬污染對(duì)水稻種子萌發(fā)及早期幼苗傷害機(jī)理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

營(yíng)養(yǎng)液:0.15 g 尿素，0.1 g 磷酸二氫鉀，0.15 g 氯化鉀于1 000 mL 容量瓶，用1%硝酸定容到刻度。水稻幼苗在營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)2 周后，在營(yíng)養(yǎng)液中加入不同濃度的HgCl2和CdCl2。營(yíng)養(yǎng)液中汞濃度為50 mg·L－1、100 mg·L－1、150 mg·L－1、200 mg·L－1、250 mg·L－1，鎘濃度為50 mg·L－1、100 mg·L－1、150 mg·L－1、200 mg·L－1、250mg·L－1。此外設(shè)1 個(gè)對(duì)照。

供試水稻為輝南宏科67 號(hào)，取自吉林輝南。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用水培法培育水稻，同等條件下同時(shí)培育3 份水稻試樣，從水稻萌芽并生長(zhǎng)穩(wěn)定后開始，第一周在第1 份水稻試樣中加入HgCl2和CdCl2，并記為處理1;第二周在第2 份水稻試樣中加入HgCl2和CdCl2，并記為處理2;第三周在第3 份水稻試樣中加入HgCl2和CdCl2，并記為處理3。

用原子吸收分光光度法測(cè)定水稻莖葉和根部重金屬含量，以分析重金屬在水稻各部分的積累狀況。通過記錄水稻生長(zhǎng)過程形態(tài)變化和收獲后測(cè)定水稻重量和長(zhǎng)度，分析重金屬污染對(duì)不同階段水稻幼苗生長(zhǎng)的影響，及其對(duì)水稻的生態(tài)毒性。

測(cè)定的生理指標(biāo)主要有，測(cè)定不同時(shí)期和不同HgCl2(CdCl2)加入量的水稻的株高、鮮質(zhì)量，葉綠素含量及根系和葉莖中的Hg2+(Cd2+)含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 水稻的鮮質(zhì)量

同一時(shí)期水稻隨汞濃度增加鮮質(zhì)量呈遞減趨勢(shì)，且降低的幅度逐漸減小，其中以第二批水稻最為明顯，這主要是因?yàn)榈诙竞笕M樣品死亡現(xiàn)象比較普遍，由此可見汞污染對(duì)水稻生長(zhǎng)有抑制作用［16］，且這種作用隨濃度的升高而增大，見表1。

表1 汞處理不同時(shí)期水稻的鮮質(zhì)量(g)Tab.1 Fresh weight of rice from mercury treatment in different periods (g)

較低濃度下的鎘對(duì)水稻幼苗的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，當(dāng)加入量為100 mg·L－1時(shí)候表現(xiàn)為抑制作用，并且隨著濃度的升高而增大，見表2。

表2 鎘處理不同時(shí)期水稻的鮮質(zhì)量(g)Tab.2 Fresh weight of rice from cadmium treatment in different periods (g)

2.2 水稻的株高

從測(cè)得的水稻株高可知，水稻的生長(zhǎng)受到了汞的抑制，且濃度越大，抑制作用越強(qiáng)。同時(shí)，水稻葉齡越大，它生長(zhǎng)受到汞的影響越嚴(yán)重，見圖1。

圖1 汞處理不同時(shí)期水稻的植株高度Fig.1 The rice height from mercury treatment in different periods

低濃度的鎘對(duì)水稻的生長(zhǎng)起促進(jìn)作用。當(dāng)加入量為100 mg·L－1時(shí)候表現(xiàn)為抑制作用，并且隨著濃度的升高而加大。不同生長(zhǎng)期受到鎘的影響基本呈等比例關(guān)系［17］，見圖2。

圖2 鎘處理不同時(shí)期水稻的植株高度Fig.2 The rice height from cadmium treatment in different periods

2.3 葉綠素的變化

根據(jù)所測(cè)葉綠素值可以看出，汞對(duì)水稻的葉綠素也有一定的影響作用，而這從觀察水稻的生長(zhǎng)現(xiàn)象也可得出同樣的結(jié)論，具體來說，汞濃度越大，這種作用越強(qiáng)，而且，葉齡期越大的水稻幼苗受到的影響越嚴(yán)重，見圖3。

由于低濃度的鎘對(duì)水稻幼苗的生長(zhǎng)起促進(jìn)作用［18］，導(dǎo)致鎘濃度為50 mg·L－1時(shí)水稻試樣中葉綠素濃度大于空白樣。隨著鎘濃度的增高，葉綠素濃度降低?？梢?，鎘侵染對(duì)水稻幼苗中葉綠素的含量有較大影響，見圖4。

圖3 汞處理水稻葉綠素值變化Fig.3 The change of chlorophyll value of rice under mercury treatment

圖4 鎘處理水稻葉綠素值變化Fig.4 The change of chlorophyll value of rice under cadmium treatment

2.4 水稻中汞含量

用HgCl2浸染后的水稻的莖葉和根部汞含量均明顯高于未受HgCl2浸染的水稻的莖葉和根部汞含量。且根部汞含量普遍高于莖葉汞含量。從數(shù)據(jù)中還可以發(fā)現(xiàn)另一現(xiàn)象，即隨著HgCl2量的增加，水稻莖葉和根部汞含量隨之增加，但增加幅度逐漸減小，水稻對(duì)重金屬吸附能力開始下降。由此可以看出，HgCl2對(duì)植物生長(zhǎng)確實(shí)有著阻礙作用［19－20］，并且這種作用隨著濃度的升高而增大，見表3。

表3 不同濃度汞處理對(duì)水稻中汞含量影響Tab.3 Influence of different concentrations of mercury treatment on mercury contents in rice

2.5 水稻中鎘含量

用原子吸收分光光度法測(cè)定水稻中的鎘含量，其結(jié)果可以看出，用CdCl2浸染后的水稻莖葉和根部鎘含量均明顯高于未受CdCl2浸染的水稻的莖葉和根部鎘含量。并且根部鎘含量普遍高于莖葉鎘含量。數(shù)據(jù)還顯示，隨著CdCl2量的增加，水稻莖葉和根部鎘含量雖然都在增加，但增加幅度逐漸減小，見表4。因此，CdCl2對(duì)植物生長(zhǎng)確實(shí)有著抑制作用，并且這種作用隨著濃度的升高而增強(qiáng)［21－22］。

表4 不同濃度鎘處理對(duì)水稻中鎘含量影響Tab.4 Influence of different concentrations of cadmium treatment on cadmium contents in rice

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)為了確保一定的準(zhǔn)確性，在設(shè)平行樣的同時(shí)還分批種植了水稻，從而等到了三批生長(zhǎng)狀態(tài)不同的水稻，從而使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加全面。實(shí)驗(yàn)所得如下結(jié)論:

相同條件下，當(dāng)鎘濃度不同時(shí)，表現(xiàn)出“低促高抑”現(xiàn)象，在較低的濃度時(shí)，促進(jìn)了水稻幼苗生長(zhǎng)量的增加;高濃度下，水稻幼苗的生長(zhǎng)受到抑制，表現(xiàn)在植株矮小、根短粗、葉片失綠等;相同條件下，不同年齡的水稻對(duì)汞鎘的耐受性不同。汞鎘溶液濃度相同時(shí)，葉齡越小的水稻生長(zhǎng)越差，因此，葉齡越大的水稻對(duì)汞鎘的耐受性越強(qiáng);相同條件下，不同濃度汞鎘溶液對(duì)相同的水稻影響不同。通過觀察和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，汞鎘溶液濃度越高，其對(duì)水稻的影響越大。

汞鎘污染的水稻不同部位中汞鎘含量值皆超過背景值，且差異明顯;受汞鎘污染的水稻各部汞鎘含量均高于莖葉中的汞鎘含量，呈自下而上遞減規(guī)律。

雖然對(duì)汞鎘的耐受性不強(qiáng)，去除率相對(duì)不高，但是水稻對(duì)重金屬汞鎘的修復(fù)吸收起到了積極的作用，作為一個(gè)新的研究方向，水稻修復(fù)重金屬污染仍需要繼續(xù)探索。

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